5.4光合作用与能量转化(共50张PPT)

(共50张PPT)
第五章 细胞的能量供应和利用
第4节 光合作用与能量转化
你参观或听说过植物工厂吗？植物工厂在人工精密控制—光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养液成分等条件下，生产蔬菜和其他植物。有的植物工厂完全依靠LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色的光源。
讨论
1.靠人工光源生产蔬菜有什么好处？
避免由自然环境中光照强度不足导致光合作用强度低而造成减产
2.为什么要控制二氧化碳浓度、营养液成分温度等条件？
二氧化碳浓度、营养液成分温度等是影响植物生长的重要外部条件
在植物工厂里，人工光源可以为植物的生长源源不断地提供能量。在自然界，则是万物生长靠太阳。太阳光能的输入、捕获和转化，是生物圈得以维持运转的基础。光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径。
无论是在植物工厂里，还是在自然界，植物捕获光能要依靠特定的物质和结构。
一、绿叶中色素的提取和分离
实验原理
（1）提取:绿叶中的色素溶于有机溶剂无水乙醇而不溶于水，可用无水乙醇提取色素。
（2）分离:各种色素在层析液中溶解度不同,溶解度高的随层析液在滤纸.上扩散得快,反之则慢，从而使各种色素相互分离。（纸层析法）
实验材料
新鲜的绿叶（如菠菜叶）
无水乙醇
层析液
实验步骤
1、提取绿叶中的色素
2、制备滤纸条
3、画滤液细线
4、分离绿叶中的色素
5、观察与记录
注意
（1）叶片要剪碎
（2）无水乙醇最好分次加入
（3）要及时用棉塞将试管口塞严，防止乙醇挥发、防止色素被氧化
（4）剪去两角，防止色素在滤纸边缘扩散太快，以使分离出的色素带平齐
（5）画一条细的横线：使分离出的色素带平整不重叠
实验结果
讨论
1. 滤纸条上有几条色素带？它们是按照什么次序分布的？
4条。
胡萝卜素（橙黄色）、叶黄素（黄色）、叶绿素a（绿色）、叶绿素b（黄绿色）
2. 滤纸条上色素带的分布情况说明了什么
绿叶中的色有4种，在层析液中的溶解度不同
绿叶中的色素有4种，它们可以归为两大类：
色素的功能是什么？
吸收、传递和转化光能
这四种色素对光的吸收有什么差别呢？
光谱吸收实验
全光谱
通过滤液观察到的光谱
绿叶中的色素主要吸收红光和蓝紫光，其中类胡萝卜素只吸收蓝紫光，叶绿素吸收红光和蓝紫光。
色素存在于细胞中的什么部位呢？
二、叶绿体的结构适于进行光合作用
叶绿体一般呈扁平的椭球形或球形。叶绿体由双层膜包被，内部有许多基粒。每个基粒都由一个个圆饼状的囊状结构堆叠而成，这些囊状结构称为类囊体。吸收光能的4种色素就分布在类囊体的薄膜上。基粒与基粒之间充满了基质。
1g菠菜叶片中的类囊体总面积竟有60m2左右。
叶绿体除吸收光能外，还有什么功能呢？
三、叶绿体的功能
资料1
1881年，德国科学家恩格尔曼做了这样的实验：把载有水绵(叶绿体呈螺旋带状分布)和需氧细菌的临时装片放在没有空气的小室内，在黑暗中用极细的光束照射水绵，发现细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中；如果把装置放在光下，细菌则分布在叶绿体所有受光的部位。
恩格尔曼的第一个实验
资料2
恩格尔曼用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域。
好氧细菌
水绵
好氧细菌
讨论
1、恩格尔曼第一个实验的结论是什么？
叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所，能够吸收光能，释放氧气
2、在第二个实验中，大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，为什么？
叶绿体伤的光合色素主要吸收红光和蓝紫光
又结合其他实验证据，科学家们证明了：在叶绿体基质中，含有多种进行光合作用所必需的酶。
叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的色素分子，在类囊体膜上和叶绿体基质中，还有很多进行光合作用所必需的酶。
光合作用是怎么样进行的？
四、光合作用的原理
光合作用
绿色植物通过叶绿体，利用光能，将二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。
同学们先来猜一猜，O2是来自H2O还是来自CO2？
（一）探究光合作用原理的部分实验
实验一
19世纪末 氧气
甲醛→糖
CO2
O2
C + H2O
甲醛
(CH2O)
1928年 甲醛不能通过光合作用转化成糖
甲醛对植物有毒
实验2：希尔实验
实验思路：施加单一变量进行研究
材料：离体叶绿体
处理：给离体叶绿体悬浮液加入氧化剂，不通入CO2；给予光照
结果：叶绿体有O2释放。
推测：叶绿体中H2O光解产生氧气。
实验3：鲁宾和卡门实验
实验思路：
用放射性同位素标记来研究物质的去路
材料：小球藻
处理：用18O分别标记CO2和H2O，给予光照。
结论：光合作用产生的O2来自于H2O，不来自CO2。
结果：A为O2，B为18O2；
实验4：阿尔农实验
材料：离体叶绿体
处理：供给ATP、NADPH和CO2，黑暗条件
结果：离体叶绿体中有糖类生成
结论：黑暗条件下，CO2合成糖类需要ATP和NADPH。
实验5：卡尔文实验
材料：小球藻
处理：（1）向反应体系中充入一定量的14CO2,光照30秒后检测产物，检测到了多种带14C标记的化合物。
（2）在5秒钟光照后，卡尔文等检测到含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖(C6).
（3）光照时间为几分之一秒时发现，90%的放射性出现在一种三碳化合物（C3）中。
CO2转化成有机物过程中，C的转移途径是：
CO2
C3
(CH2O)
C5
大量实验表明：光合作用释放的氧气来自水，氧气的产生和糖类的合成不是同一个化学反应，而是分段进行的，根据是否需要光能，分为光反应和暗反应（碳反应）两个阶段
（二）光反应阶段
光合作用第一个阶段的化学反应，必须有光才能进行，这个阶段叫作光反应阶段。光反应阶段是在类囊体的薄膜上进行的。
H2O
类囊体膜
酶
Pi ＋ADP
ATP
H+
NADP+
+
NADPH
氧化型辅酶Ⅱ
还原型辅酶Ⅱ
色素
O2
光、色素、酶
叶绿体内的类囊体薄膜上
水的光解：
H2O O2 +H+
光能
ATP的合成：
ADP＋Pi＋能量（光能) ATP
酶
光能→活跃的化学能
场所：
条件：
物质变化
能量变化
NADPH的合成： H++NADP+ NADPH
（三）暗反应阶段
光合作用第二个阶段中的化学反应，有没有光都能进行，这个阶段叫做暗反应阶段。暗反应阶段的化学反应是在叶绿体的基质中进行的。在这一阶段，CO2被利用，经过一系列反应后生成糖类。
叶绿体的基质中
NADPH 、ATP、酶
场所：
条件：
CO2的固定：
CO2＋C5 2C3
酶
C3的还原：
ADP+Pi
2C3 (CH2O)
酶
糖类
物质变化
NADP+
NADPH
活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
能量
变化
五碳化合物 C5
CO2的固定
三碳化合物 2C3
叶绿体基质
多种酶
糖类
ATP
NADPH
(CH2O)
光合作用过程
ATP
NADPH
ADP+Pi
NADP+
C3
C5
光反应与暗反应的区别与联系
光反应和暗反应紧密联系，能量转化与物质变化密不可分。光合作用产生的有机物，不仅供植物自身利用，还养活了所有的异养生物。光能通过驱动光合作用而驱动生命世界的运转。
那么光合作用都有哪些应用呢？
五、光合作用原理的应用
光合作用强度
植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量，也可以用单位时间内CO2的消耗量或者单位时间内O2的生成量表示
探究环境因素对光合作用强度的影响
自变量：
光照（强度、光质）、温度、CO2浓度等
因变量：
光合速率
无关变量：
植物叶片、其他环境条件处理、实验操作
如何测量光合速率？
有机物合成：
淀粉含量测量法
CO2的吸收：
可以用红外线CO2传感器测量
O2的释放：
小叶片浮起数量法
实验目的
探究光照强度对光合作用强度的影响
实验材料
圆形的生长旺盛的绿色小叶片
实验步骤
1.取叶片均分三组，进行编号。
2.不同处理：给予低、中、高的光照
3.相同处理：用注射器排除叶片中的气体；放入适宜浓度的NaHCO3溶液中
实验结果
实验结论
随光照强度的增强光合作用强度增加
a b c
d e f
光照强度
光合作用强度
光饱和点
光饱和点：随光照增强光合作用不再增强时的光照强度
实验所测是否为叶片实际光合作用强度？
O2
CO2
O2
CO2
较强光照时
总光合速率=净光合速率+呼吸速率
如何修改光强与光合作用强度的关系图？
光补偿点：光合作用强度等于呼吸作用强度时的光照强度
其他环境因素对光合作用强度的影响
温度
影响光合作用因素总结
（1）矿质营养
N：光合酶及NADP+和ATP的重要组分
P：NADP+和ATP的重要组分，维持叶绿体正常结构和功能
K：促进光合产物向贮藏器官运输
Mg：叶绿体的重要组分
（2）光照强度
（3）温度
（4）CO2浓度
（5）水分
根据影响光合作用的因素，请同学们思考可以通过哪些措施来提高农作物产量？
（1）增加光能利用率
延长光合作用时间
提高复种指数（轮作）
温室中人工光照
增加光合作用面积
合理密植
间作套种
（2）提高光合作用效率
控制光照强度
控制光质（红光和蓝紫光）
控制温度（保持昼夜温差）
控制CO2供应
控制必需的矿质元素供应（适时适量施肥）
控制水供应（合理灌溉）
六、拓展
1、光合作用过程中各种元素的转移途径
2、化能合成作用
（1）2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量
（2）2HNO3+O2 2HNO3+能量
（3）CO2+H2O （CH2O)+O2
硝化细菌能够利用体外环境中的某些无机物氧化时所释放的能量来制造有机物。除此之外，铁细菌、硫细菌也是利用化能合成作用合成有机物的自养生物。
硝化细菌
硝化细菌
硝化细菌
能量
课后总结
1、绿叶中色素的提取和分离
2、叶绿体的结构适于进行光合作用
3、叶绿体的功能
4、光合作用原理
（1）概念
（2）探究光合作用原理的部分实验
（3）光反应阶段
（4）暗反应阶段
5、光合作用原理的应用